영하 100도(°C)부터 영상 100도를 오가도 작동할 수 있는 고성능 페로브스카이트 태양전지가 개발됐다. 극심한 온도 변화를 견뎌야 하는 우주용 페로브스카이트 태양전지 개발에 속도가 붙을 전망이다. 페로브스카이트 태양전지는 값싸고 가벼운 차세대 전지다.

에너지화학공학과 양창덕·신승재 교수와 신소재공학과 송명훈 교수팀은 200도에 이르는 온도 변화를 반복해도 정상적으로 작동할 수 있는 고성능 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

위성 등이 정해진 궤도를 돌다 보면 햇빛을 직접 받는 구간과 그림자에 들어가는 구간을 반복해 지나는데, 이때 온도 차가 200도 이상 벌어진다. 우주용 태양전지 개발에서 급격한 온도 변화를 반복해서 견디는 기술이 중요한 이유다.

연구팀이 개발한 전지는 영하 100도와 영상 100도에서 각각 30분씩 두는 열순환을 16차례 반복한 뒤에도 정상적으로 작동했다. 태양전지가 태양 빛을 전기로 바꾸는 효율인 광전변환효율의 감소가 줄어, 초기 성능의 약 91%를 유지했다.

이 같은 내구성은 연구팀이 개발한 자기조립단분자막(SAM) 소재인 ‘LY-m’ 덕분이다. 자기조립단분자막은 전극과 페로브스카이트층 사이에서 전하가 이동하도록 돕는 소재로, 분자들이 전극 표면에 스스로 정렬해 분자 하나 두께의 얇은 막을 만들 수 있다. 일반적인 SAM은 온도가 크게 바뀌면 이 내부 분자들이 다시 배열되거나 서로 뭉치면서 전극을 덮는 막이 불균일해질 수 있지만, LY-m은 분자들이 전극 표면에 촘촘하고 균일하게 배열돼 열을 받아도 이러한 재배열과 응집을 억제한다. 실제로 시판 SAM 소재를 적용한 비교 전지는 같은 극한 온도 변화를 반복하자 작동하지 않았다.

제1저자인 이승록 연구원은 “‘LY-m’은 유기반도체 소재로 쓰이는 카바졸과 전극에 달라붙는 포스폰산 부분을 페녹시프로필로 연결해 만든 물질”이라며 “페녹시프로필의 벤젠 고리에서 카바졸이 붙는 위치만 조절해 분자들이 전극 위에 비스듬히 서면서 촘촘하고 균일하게 배열되도록 만들 수 있었다”고 말했다.

태양 빛을 전기로 바꾸는 효율 자체와 장기 내구성도 뛰어났다. LY-m을 적용한 태양전지는 최고 26.39%의 광전변환효율을 기록했으며 공인 인증 효율도 26.37%를 기록했다. 또한 85도에서 장시간 가열하는 시험에서는 초기 효율의 80%를 유지하는 시간이 1,994 시간에 달했다. 

이번 연구는 에너지화학공학과 이승록 연구원, 신소재공학과 양진규 연구원, 에너지화학공학과 박지원 연구원이 제1저자로 참여했다.

양창덕 교수는 “분자의 구성 자체를 크게 바꾸지 않고 연결 부위의 위치만 조절해 고효율과 극한 온도 내구성을 동시에 갖춘 소재를 설계했다”며 “가볍고 공정 비용이 낮은 페로브스카이트 태양전지를 우주와 같은 극한 환경에서도 활용할 수 있도록 하는 기술의 토대가 될 것”이라고 말했다.

연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단, 이노코어InnoCORE)사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 국제학술지 줄(Joule)에 8월 3일 공개 됐다.